Thiết kế hệ thống kiểm soát trạng thái môi trường dựa trên

MỤC LỤC
Mục lục......................................................................................................................1
Danh mục hình vẽ .....................................................................................................4
Danh mục từ kí hiệu, viết tắt .....................................................................................5
LỜI MỞ ĐẦU ...........................................................................................................6
PHẦN MỞ ĐẦU:......................................................................................................8
Lý do chọn đề tài ......................................................................................................8
Ý nghĩa khoa học của đề tài ......................................................................................8
Ý tƣởng thiết kế........................................................................................................ 9
Đóng góp của đề tài.................................................................................................. 9
Tóm tắt nội dung ...................................................................................................... 9
Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................................... 9
PHẦN NỘI DUNG LUẬN VĂN ............................................................................ 10
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG .......................................................... 10
1.1Ứng dụng của hệ thống ....................................................................................... 15
1.2. Cấu trúc của hệ thống........................................................................................ 16
1.3 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống ................................................................... 18
1.4 Chức năng của hệ thống ..................................................................................... 19
CHƢƠNG 2. KHỐI XỬ LÝ DỮ LIỆU ................................................................... 20
2.1 Vi điều khiển AVR............................................................................................. 20
2.1.1 Giới thiệu chung .............................................................................................. 20
2.1.2 Kiến trúc của vi điều khiển AVR .................................................................... 24
2.1.3 Các tệp thanh ghi............................................................................................. 26
2.1.4 Khối số học LOGIC ........................................................................................ 27
2.1.5 Bộ nhớ vào ra .................................................................................................. 27
2.1.6 Thanh ghi trạng thái ........................................................................................ 28
2.1.7 Vi điều khiển ATmega 8 ............................................................................... 28
2.2 LCD .................................................................................................................... 31
2.2.1 Giới thiệu......................................................................................................... 31
2.2.2 Các thanh ghi .................................................................................................. 34
2.2.3 Cờ báo bận BF ................................................................................................ 35

1


2.2.4 Bộ đếm địa chỉ AC .......................................................................................... 35
2.2.5 Vùng RAM hiển thị DDRAM......................................................................... 36
2.2.6 Vùng ROM chứa kí tự CGROM ....................................................................... 36
2.3. Nguồn (Power) .................................................................................................. 38
CHƢƠNG 3. KHỐI ĐO ĐẠC VÀ LẤY DỮ LIỆU ................................................ 40
3.1. Cơ sở lý thuyết về cảm biến nhiệt độ ................................................................ 40
3.2 Cảm biến nhiệt DS18B20 ................................................................................. 43
3.2.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt DS18B20 ......................................................... 43
3.2.2 Một sô tính năng của cảm biến nhiệt DS18B20 ............................................ 44
3.2.3 Khối giao tiếp RS232. ..................................................................................... 45
CHƢƠNG 4: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GSM ...................................................... 51
4.1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG GSM ................................................................... 51
4.1.1. Hệ thống GSM ............................................................................................. 51
4.1.2. Tốc độ kết nối của chuẩn GSM ..................................................................... 52
4.1.3. Mạng GSM ................................................................................................... 52
4.2. TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS .............................................................. 57
4.2.1. Giới thiệu về SMS ........................................................................................ 57
4.2.2. Cấu trúc một tin nhắn SMS ........................................................................... 59
4.2.3. Tin nhắn SMS chuỗi/tin nhắn SMS dài ........................................................ 60
4.2.4. SMS Center ................................................................................................... 60
4.2.5. Nhắn tin SMS quốc tế .................................................................................. 61
4.3. MODULE SIM900A........................................................................................ 62
4.3.1. Giới thiệu Module Sim900A ......................................................................... 62
4.3.2. Giới thiệu tập lệnh AT Command ................................................................. 62
4.3.3. Giải thuật cho tập lệnh AT Command .......................................................... 64
4.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG .............................. 76

4.4.1. Thủ tục phát tin TXD .................................................................................... 76
4.4.2. Thủ tục nhận tin TXD ................................................................................... 76
CHƢƠNG 5: HỆ THỐNG KIỂM SOÁT TRẠNG THÁI MÔI TRƢỜNG DỰA
TRÊN MẠNG GSM ................................................................................................ 78
5.1. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỤ THỂ .................................................... 78

2


5.2 PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ...................................................................... 78
5.2.1 Phần mềm mô phỏng mạch Proteous .............................................................. 78
5.2.2 Phần mềm vẽ mạch Altium. ............................................................................ 79
5.2.3 Phần mềm viết code AVR Studio ................................................................... 79
5.2.4 Phần mềm viết chƣơng trình Visual Studio C# 2010 Express. ....................... 79
5.2.5 Phần mềm nạp code IC Prog. .......................................................................... 80
5.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................ 80
5.3.1. Xây dựng phƣơng án kết nối mạng GSM ..................................................... 80
5.3.2 Thiết kế phần cứng ......................................................................................... 81
5.3.3 Các kết quả đo đạc thử nghiệm ....................................................................... 90
KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN ............................................................................... 92
Tài liệu tham khảo.................................................................................................. 95

3


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống....................................................................................... 17
Hình 2.1 Một số loại chip AVR .......................................................................................... 21
Hình 2.2 Sơ đồ chân chip ATmega16 ................................................................................. 22
Hình 2.3 Các chân có chức năng đặc biệt của ATmega16 ................................................. 22

Hình 2.4 Kiến trúc chip AVR ............................................................................................. 24
Hình 2.5 Bảng vector ngắt chip AVR ................................................................................. 25
Hình 2.6 Bộ nhớ của chip AVR .......................................................................................... 26
Hình 2.7 Tệp thanh ghi của chip AVR ............................................................................... 27
Hình 2.8 Thanh ghi trạng thái ............................................................................................. 28
Hình 2.9 Sơ đồ chân ATmega 8………………………………………………………….29
Hình 2.10 Cấu trúc bên trong ATmega 8………………………………………………...31
Hình 2.11 LCD 16x2 ......................................................................................................... 32
Hình 2.12 LCD 20x4 ......................................................................................................... 32
Hình 2.12 LCD Đồ họa ...................................................................................................... 32
Hình 2.15 Thứ tự và chức năng các chân của LCD .......................................................... 33
Hình 2.16 Bảng mã hóa .................................................................................................... 37
Hình 2.17 Nguồn 5 V.......................................................................................................... 38
Hình 2.18 Nguồn 4.1 V....................................................................................................... 38
Hình 2.19 Nguồn 3.3 V...................................................................................................... 39
Hình 3.1 Thermocouple ...................................................................................................... 41
Hình 3.2 Nhiệt điện trở (RTD) ........................................................................................... 41
Hình 3.3 Thermistor............................................................................................................ 42
Hình 3.4 Cảm biến nhiệt DS18B20 ................................................................................... 43
Hình 3.5 Cấu trúc cảm biến nhiệt DS18B20 ...................................................................... 44
Hình 3.6 Kết nối cảm biến nhiệt DS18B20 với nguồn ngoài ............................................ 44
Hình 3.7 Dữ liệu nhiệt độ đƣợc chứa trong 2 byte ............................................................. 45
Hình 3.8 Nhiệt độ đƣợc biểu dƣới dạng các bit .................................................................. 45
Hình 3.9 Sơ đồ chân kết nối cổng com trên PC. ................................................................. 48
Hình 4.1. Mô hình hệ thống GSM……………………………………………………….53
Hình 4.2. Cấu trúc tổng quan mạng GMS……………………………………………….55
Hình 4.3. Cấu trúc tin nhắn SMS ........................................................................................ 60
Hình 5.1 Phần mềm proteus............................................................................................... 78
Hình 5.1. Phần mềm altium ............................................................................................... 79
Hình 5.2.Phần mềm Visual C# 2010 Express .................................................................... 79

Hình 5.5. Phần mềm nạp code IC Prog.............................................................................. 79
Hình 5.6. Mặt trƣớc, mặt sau và anten của Sim900A……………………………………80
Hình 5.7. Điện thoại di động có hỗ trợ RS232…………………………………………..81
Hình 5.8 : Khối nguồn…………………………………………………………………...82
Hình 5.9 : Khối vi điều khiển…………………………………………………………….83
Hình 5.10: Khối Sim900…………………………………………………………………85
Hình 5.11: Khối ngoại vi………………………………………………………………...86
Hình 5.12: Mạch cảm biến nhiệt độ ……………………………………………………..87
Hình 5.13. Mạch kết nối RS232 giữa PC và Vi điều khiển ................................................ 88
Hình 5.14 Sơ đồ thiết kế mạch in nhƣ…………………………………………………..88
Hình 5.15 Các sản phẩm minh họa ..................................................................................... 89

4


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT

TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

A/D

Analog to Digital conversion

Biến đổi tƣơng tự-số

ADC

Analog to Digital Converte

Bộ chuyển đổi tƣơng tự-số

CLK

CLocK

Xung nhịp

GND

Ground

Nối đất

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống truyền thông di động toàn

Communications

cầu

LCD

Liquid Crystal Display

Mặt hiển thị tinh thể lỏng

LSB

Least Significant Bit

Bit có trọng số bé nhất

MCU

Microcontroller

Khối vi điều khiển

MMS

Multimedia Message Service

Dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện

MSB

Most Significant Bit

Bít có trọng số lớn nhất

NC

No current

Không dòng

NMEA

National Marine Electronics

Hiệp hội Điện tử học Hàng hải quốc

Association

gia

PDA

Personal Digital Assistant

Máy trợ lý cá nhân dùng kỹ thuật số

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên

SRAM

Static random access memory

Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên tĩnh

RISC

Reduced Instructions Set Computer

Máy tính dùng tập lệnh rút gọn

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc ra

SMS

Short Message Service

Dịch vụ gửi tin nhắn ngắn

RX

Receive

Đầu nhận

SCL

Serial Clock

Xung đồng bộ nối tiếp

SDA

Serial Data

Dữ liệu nối tiếp

SIM

Subscriber Identification Module

Mô đun nhận dạng thuê bao

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao diện Ngoại vi Nối tiếp

TX

Transmit

Đầu truyền

UART

Universal Asynchronous Receiver and

Bộ thu phát vạn năng không đồng bộ

Transmitter
USB

Universal Serial Bus

Truyền dữ liệu cổng USB

5


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại hiện nay, bảo vệ và phát triển môi trƣờng là một vấn đề vô
cùng cấp thiết, đang đƣợc sự quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia trên thế giới
cũng nhƣ của nƣớc ta nhằm đối phó với tình trạng môi trƣờng sống trên trái đất
đang ngày càng xuống cấp, ảnh hƣởng lớn đến cuộc sống hàng ngày. Để con ngƣời
trên trái đất tồn tại và phát triển một cách bền vững, thì môi trƣờng sống của con
ngƣời cần phải đƣợc bảo vệ. Nếu chất lƣợng của môi trƣờng sống bị giảm sút thì
con ngƣời sẽ bị ảnh hƣởng ngay và nếu chất lƣợng của môi trƣờng sống giảm đến
một mức độ nguy hiểm thì có thể dẫn đến các hiểm hoạ không thể lƣờng đƣợc. Vì
thế, việc bảo vệ môi trƣờng sống luôn là vấn đề quan trọng và cấp thiết của nhân
loại trong quá trình sống và phát triển của mình.
Để bảo vệ và phát triển môi trƣờng sống thì việc giám sát và đánh giá các
tham số môi trƣờng là vấn đề vô cùng quan trọng. Môi trƣờng sống bao gồm nhiều
yếu tố nhƣ đất, nƣớc, không khí, áp suất, ánh sáng… Đã có có nhiều hệ thống đo

đạc đƣợc xây dựng để giám sát, đo đạc và đánh giá các tham số môi trƣờng. Trong
các các hệ thống đo đạc, phổ biến nhất và cũng đƣợc ứng dụng nhiều nhất là đo đạc
các tham số liên quan đến thời tiết, cụ thể nhƣ đo nhiệt độ, đo độ ẩm, đo tốc độ gió,
đo điểm đọng sƣơng… Trong các tham số này thì nhiệt độ là một tham số khá quan
trọng, hơn nữa các loại cảm biến đo nhiệt độ thƣờng có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ,
có độ chính xác cao và giá thành thấp hơn so với các loại cảm biến đo độ ẩm hay
cảm biến đo tốc độ gió. Ngoài ra, trong cuốc sống hiện đại, thông tin liên lạc là vấn
đề đƣợc quan tâm và đƣợc chú trọng phát triển. Các ứng dụng của kỹ thuật thông
tin liên lạc vào kinh tế, sản xuất ngày càng nhiều. Trong thời gian gần đây, dƣới sự
phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, mạng điện thoại di động không
ngừng lớn mạnh và phổ biến ở hầu hết các quốc gia trên thế giới đặc biệt là mạng di
động GSM. Mạng GSM có các ƣu điểm nổi bật nhƣ là chất lƣợng tốt, giá thành rẻ,
kết nối tốt… do đó mạng GSM ngày càng giữ vị trí quan trọng và đƣợc sử dụng rất
nhiều trong cuộc sống. Mạng GSM có nhiều tiện ích nhƣ kết nối các thiết bị di

6


động, hỗ trợ gửi tin nhắn, truy cập Internet qua dịch vụ GPRS… Việc ứng dụng
mạng GSM vào các hệ thống đo đạc, điều khiển là một vấn đề đang đƣợc quan tâm
và đƣợc phát triển ở nhiều nơi. Dựa trên các nhận xét này, em đã tìm hiểu thiết bị
GSM và cảm biến đo nhiệt độ và xây dựng đề tài: “Thiết kế hệ thống kiểm soát
trạng thái môi trƣờng dựa trên công nghệ mạng di động.”. Trong đề tài này,
tham số nhiệt độ sẽ đại diện cho các tham số khác của môi trƣờng (tốc độ gió,
không khí, hơi nƣớc, điểm đọng sƣơng…). Hệ thống này có thể ứng dụng nhiều
trong thực tế nhƣ giám sát nhiệt độ trong các phòng thí nghiệm, giám sát nhiệt độ
trong nhà kho, trong phòng bảo quản thực phẩm, phòng bảo quản thuốc, phòng
máy… Ngoài ra, hệ thống còn có thể đƣợc mở rộng hơn bằng cách tích hợp các cảm
biến, thiết bị khác, do đó hệ thống có thể mở rộng đƣợc phạm vi ứng dụng. Hệ
thống đƣợc xây dựng dựa trên công nghệ mạng GSM, do đó ngoài các tính năng đo

đạc, hệ thống cũng có một số chức năng giống nhƣ các thiết bị mobile thông thƣờng
tức là có thể gửi tin nhắn, xem tin nhắn…
Để xây dựng đƣợc đề tài này, em đã nhận đƣợc sử quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ
của rất nhiều ngƣời. Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo
hƣớng dẫn TS.Nguyễn Tài Hƣng thầy đã hƣớng dẫn em rất nhiêt tình, rất đầy đủ
về mặt kiến thức, kỹ thuật chuyên môn, chỉ dạy các bài học kinh nghiệm quý báu
đồng thời chỉ ra cho em nhiều định hƣớng, ý tƣởng, các phƣơng pháp tiếp cận và
thực hiện đề tài. Em cũng chân thành cảm ơn các anh em, các bạn những ngƣời đã
khuyến khích, ủng hộ, động viện, giúp đỡ để em có thể thực hiện tốt đề tài.

7


PHẦN MỞ ĐẦU:
Lý do chọn đề tài:
Hiện nay vấn đề kiểm sát và bảo vệ môi trƣờng sống rất quan trọng và
cần thiết đối với xã hội con ngƣời, đang đƣợc sự quan tâm của các nƣớc trên thế
giới cũng nhƣ ở nƣớc ta, bởi tình trạng ô nhiễm môi trƣờng sống hiện nay rất báo
động.Để bảo đảm cuộc sống, lợi ích sức khỏe cũng nhƣ tuổi thọ của con ngƣời
đƣợc nâng cao và sự tồn tại lâu dài, bền vững của xã hội loài ngƣời thì vấn đề bảo
vệ môi trƣờng luôn là vấn đề tối quan trọng của nhân loại hiện nay cũng nhƣ
trong các thế kỷ kế tiếp.
Chính vì vậy việc xây dựng hệ thông thu thập và giám sát các thông số môi
trƣờng trở nên hết sức cần thiết và quan trọng. Tuy nhiên trong thực tế công việc
thu thập và giám sát các thông số môi trƣờng luôn gặp rất nhiều khó khăn vì điều
kiện địa lý và thời gian. Do đó việc áp dụng khoa học công nghệ vào công việc thu
thập và giám sát môi trƣờng là một đề tài luôn dành đƣợc sự quan tâm.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ di động thì những khó khăn
về địa lý từng tồn tại trong việc thu thập dữ liệu môi trƣờng đã dần dần đƣợc gỡ
bỏ. Sử dụng các công nghệ di động cho phép ta có thể thu thập các thông số môi

trƣờng sau đó gửi về máy tính giúp ngƣời sử dụng có thể đánh giá và phân tích
đƣợc các thông số của môi trƣờng.
Từ những yêu cầu thực tế nên em đã chọn đề tài:
" Thiết kế hệ thống kiểm soát trạng thái môi trƣờng dựa trên công nghệ
mạng di động."

Ý nghĩa khoa học của đề tài
Thu thập giám sát các thông số môi trƣờng dựa trên công nghê mạng di
động có ý nghĩa hết sức quan trọng, thiết bị này cho phép ngƣời sự dụng có thể
theo dõi đƣợc các thông số môi trƣờng ở nhƣng nơi rất xa và liên tục.
Có thể quản lý việc lấy thông số môi trƣờng bằng máy tính và có thể xây
dựng biểu đồ trong khoảng thời gian dài để đƣa ra những đánh về sự thay đổi của
điều kiện môi trƣờng dù là rất nhỏ.

8


Ý tƣởng thiết kế
Dùng mạng điện thoại di động của các nhà cung cấp dịch vụ nhƣ Viettel,
Mobi, Vina …để gửi tin nhắn SMS từ bộ thu thập thông số môi trƣờng tời bộ kết
nối với máy tính và chuyển các thông số môi trƣờng lên máy tính.
Đóng góp của đề tài
Luận văn nghiên cứu các vấn đề liên quan đến việc ứng dụng công nghệ
mạng di động cho việc giám sát các tham số môi trƣờng, giới thiệu các thiết bị
GSM, các thiết bị đo đạc, giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, thiết bị cảnh báo, tìm
hiểu cơ chế hoạt động của thiết bị, các ý tƣởng thiết kế , cách tổ chức, cách xây
dựng các hệ thống đo đạc.
Tóm tắt nội dung
Luận văn nghiên cứu các vấn đề liên quan đến việc ứng dụng công nghệ
mạng di động cho việc giám sát các tham số môi trƣờng, giới thiệu các thiết bị

GSM, các thiết bị đo đạc, giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, …tìm hiểu cơ chế hoạt
động của thiết bị, các ý tƣởng thiết kế, các thuật giải, cách tổ chức, cách xây dựng
các hệ thống đo đạc.
 Chƣơng 1: Giới thiệu về hệ thống
 Chƣơng 2: Khối xử lý dữ liệu
 Chƣơng 3: Khối đo đạc và lấy dữ liệu.
 Chƣơng 4: Giới thiệu về hệ thống GSM..
 Chƣơng 5: Hệ thống kiểm soát trạng thái môi trƣờng dựa trên mạng
GSM.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong đề tài này ngƣời thực hiện đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu:
- Phƣơng pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp
chí về điện tử và truy cập từ mạng internet.
- Phƣơng pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị
trƣờng và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet.

9


- Phƣơng pháp thực nghiệm: từ những ý tƣởng và kiến thức vốn có của
mình kết hợp với sự hƣớng dẫn của giáo viên, ngƣời thực hiện đã lắp ráp thử
nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để từ đó chọn lọc những mạch điện tối ƣu.

PHẦN NỘI DUNG LUẬN VĂN
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG
Đề tài lấy ý tƣởng hệ thống nhà thông minh(SmartHome) hay căn hộ thông
minh ngƣời thực hiện đã đƣợc tìm hiểu tham khảo qua tài liệu cách thu thập thông
tin từ sách, tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng internet.
Trong phƣơng pháp tham khảo tài liệu,ngƣời thực hiện đã đƣợc tìm hiểu về
hệ thống nhà thông minh(SmartHome) hay căn hộ thông minh.Một đề tài có ứng

dụng rất lớn trên thế giới hiện nay cũng nhƣ ở trong nƣớc có tính chất kết hợp các
sản phẩm điện tử gia dụng thành mạng thiết bị,ứng dụng công nghệ thông tin ,điều
khiển tự động và giám sát.
Ngôi nhà thông minh là sự kết nối sản phẩm điện tử gia dụng thành mạng
thiết bị và hoạt động theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo môi trƣờng sống tiện
nghi, an toàn và tiết kiệm năng lƣợng. Chẳng hạn, khi có ngƣời bƣớc vào nhà, hệ
thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị cảm biến hồng ngoại. Đèn chiếu sáng còn có thể
điều chỉnh ánh sáng, màu sắc... theo sở thích của chủ nhân. Khi thiết bị chiếu phim
hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm độ sáng, rèm cửa cũng tự động khép lại để
tạo không khí của một phòng chiếu phim.

10


Giao diện điều khiển của SmartHome
Ngôi nhà thông minh SmartHome còn đƣợc trang bị hệ thống kiểm soát môi
trƣờng, cảnh báo an ninh (kiểm soát các nguy cơ cháy, nổ hay bị xâm nhập trái
phép), giải trí đa phƣơng tiện Multimedia (quản lý thƣ viện âm nhạc, phim, ảnh...
của chủ nhà).
Để điều khiển các thiết bị điện tử gia dụng, ngƣời dùng có thể tƣơng tác trên
giao diện cảm ứng của máy tính bảng (tablet) đƣợc đặt ở các vị trí thuận tiện trong
nhà hoặc điện thoại di động 3G.
Tùy theo nhu cầu, ngƣời sử dụng có thể cấu hình hệ thống hoạt động theo
những kịch bản bất kỳ nhƣ lập trình hẹn giờ tắt đèn khi đi ngủ, đổ thức ăn vào bể cá
khi vắng nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas..., khi tới công sở, họ có thể gửi tin
nhắn qua điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa.
Ngôi nhà thông minh Home Automation, Inc ( Viết tắt là HAI ) bao gồm
các thành phần:
 Bộ điều khiển trung tâm
Bộ điều khiển trung tâm đƣợc coi là bộ não của một hệ thống nhà thông minh.

Bộ điều khiển trung tâm phối hợp hoạt động của tất cả các hệ thống trong nhà thông
minh để các hệ thống này có thể "nói chuyện" đƣợc với nhau. Bộ điều khiển trung
tâm điều chỉnh các hệ thống an ninh, truy nhập điều khiển, hệ thống làm mát, hệ

11


thống cấp nhiệt, hệ thống chiếu sáng và hệ thống giám sát một cách tự động để tạo
ra một môi trƣờng sống thoải mái, tiện lợi và an toàn.
Hệ thống sử dụng các cảm biến tuyến tính để điều chỉnh hoạt động của các hệ
thống chiếu sáng, điều hòa, an ninh phù hợp với sự thay đổi của môi trƣờng xung
quanh. Hệ thống đƣợc lập trình và điều khiển, quan sát trạng thái hệ thống từ các
màn hình cảm ứng, máy tính, Palmtop computer, smartphone .v.v

 Công nghệ điều khiển chiếu sáng
Các thiết bị điều khiển chiếu sáng trong hệ thống nhà thông minh đƣợc tích
hợp chíp thông minh bên trong để thực hiện các lệnh điều khiển của hệ thống điều
khiển trung tâm và từ các thiết bị điều khiển khác. Trƣớc hết bạn lựa chon cho mình
một hệ thống điều khiển chiếu sáng tƣơng thích với hệ thống điều khiển trung tâm
của bạn, tiếp đó bạn lựa chọn phƣơng thức truyền thông cho thiết bị của ngôi nhà
bạn. Hiện nay có 2 phƣơng thức truyền thông chủ yếu là không dây và có dây.
Với phƣơng thức truyền thông không dây bằng sóng RF bạn dễ dàng lắp đặt
và thay đổi vị trí thiết bị trong ngôi nhà mình. Nhƣng nhƣợc điểm lớn nhất của
phƣơng thức truyền thông không dây là tín hiệu không truyền đƣợc đi xa và nhất là
với thiết kế kiến trúc ở việt nam, tín hiệu điều khiển bị lớp tƣờng, bê tông dày ngăn
cản, hấp thụ. Nên tín hiệu điều khiển không đƣợc ổn định, dẫn đến điều khiển
không chính xác. Một số chuẩn điều khiển thông qua sóng RF điển hình là : Z-wave
(Zensys), RadioRA (Lutron), Vizia RF (ACT) .
Với phƣơng thức truyền thông có dây bạn có hai lựa chọn :
Phƣơng thức truyền thông bằng đƣờng điều khiển riêng rẽ thƣờng đƣợc gọi là

I-Bus nhƣ : EIB, C-Bus, lonwork .v.v. với phƣơng thức truyền thông bằng đƣờng
điều khiển riêng rẽ tín hiệu điều khiển đƣợc đảm bảo độ tin cậy rất cao 99,99%.
Nhƣng nhƣợc điểm của hệ thống xây dựng bằng các thiết bị I-Bus là bạn phải đi
đƣờng điều khiển đến từng thiết bị, bạn sẽ gặp rất nhiều khó khăn khi thay đổi vị trí
thiết bị. Mặt khác, các thiết bị I-Bus có giá thành khá cao do thiết kế có công suất
lớn. Do vậy các thiết bị I-Bus chỉ phù hợp với điều khiển chiếu sáng công nghiệp.

12


Một số hãng sản xuất thiết bị I-Bus điển hình là : ABB, Clipsal, Hager, EDT,
Legrand .v.v.
 Thiết bị giao tiếp ngƣời sử dụng
Để điều khiển hệ thống, bạn cần trang bị cho hệ thống của mình một số thiết bị
giao tiếp ngƣời sử dụng. Chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng màn hình cảm ứng để
theo dõi và điều khiển toàn bộ các thiết bị trong nhà của mình.

Màn hình cảm ứng có giao diện đẹp và rất dễ sử dụng
 Hệ thống báo cháy
Quy trình hoạt động của hệ thống báo cháy là một quy trình khép kín. Khi có
hiện tƣợng về sự cháy (chẳng hạn nhƣ nhiệt độ gia tăng đột ngột, có sự xuất hiện
của khói hoặc các tia lửa) các thiết bị đầu vào (đầu báo, công tắc khẩn) nhận tín
hiệu và truyền thông tin của sự cố về trung tâm báo cháy. Tại đây trung tâm sẽ xử lý
thông tin nhận đƣợc, xác định vị trí nơi xảy ra sự cháy (thông qua các zone) và
truyền thông tin đến các thiết bị đầu ra (bảng hiển thị phụ, chuông, còi, đèn), các
thiết bị này sẽ phát tín hiệu âm thanh, ánh sáng để mọi ngƣời nhận biết khu vực
đang xảy ra sự cháy và xử lý kịp thời.

 Âm nhạc – giải trí
Với hệ thống âm thanh đa vùng, bạn có thể nghe cùng một nguồn nhạc tại

cùng một thời điểm với mức âm lƣợng khác nhau tại từng phòng trong ngôi nhà của
mình. Hoặc đặt hệ thống âm thanh trong các phòng để nghe cùng một nguồn nhạc
với cùng một mức âm lƣợng.

13


Các hệ thống âm thanh đa vùng truyền thống thƣờng yêu cầu có nhiều thiết
bị phát nhạc tại tủ trung tâm hoặc các thiết bị phát nhạc đặc chủng.
Từ ý tƣởng đó em tiến hành nghiên cứu đối với các hệ thống giám sát và
điều khiển trƣớc đây hay gặp phải một số vấn đề nhƣ là khoảng cách, giá thành, khó
khăn trong việc lắp đặt, di chuyển… Đối với các hệ thống giám sát sử dụng mạng di
động thì hoàn toàn khác, các mạng di động đƣợc mở rộng ở nhiều nơi do đó hệ
thống có thể điều khiển, truyền nhận dữ liệu từ xa, điều này rất thuận lợi khi tiến
hành sửa chữa, nâng cấp hệ thống. Hơn nữa, hệ thống còn có kích thƣớc nhỏ gọn,
dễ lắp đặt, vận chuyển và bảo quản.
Một số hệ thống giám sát và điều khiển sử dụng mạng điện thoại, nhƣng là
mạng điện thoại cố định cũng có xu hƣớng chuyển dần sang xử dụng mạng điện
thoại di động để hệ thống trở nên tiện dụng và có thể hỗ trợ ngƣời dùng nhiều hơn.
Hế thống giám sát, điều khiển sử dụng mạng GSM còn giúp điều khiển các
thiết bị hoạt động ở môi trƣờng nguy hiểm, độc hại mà con ngƣời không thể làm
việc đƣợc, các hệ thống này trợ giúp rất nhiều trong lao động sản xuất.
Bên cạnh các hệ thống giám sát, đo đạc, điều khiển sử dụng mạng điện thoại
đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế nhƣ hệ thống cảnh báo cháy, cảnh báo khí
ga, định vị toàn cầu… hệ thống giám sát nhiệt độ sử dụng mạng điện thoại cũng
đƣợc sử dụng khá nhiều và ngày càng đƣợc tích hợp nhiều chức năng.
Hệ thống giám sát nhiệt độ cho phép ngƣời dùng có thể giám sát nhiệt độ
trong một khu vực nhất định hoặc giám sát nhiệt độ của một vật thể. Việc giám sát
nhiệt độ đƣợc thực hiện liên tục, ngƣời dùng ở bất kỳ đâu cũng có thể giám sát đƣợc
nhiệt độ chỉ cần ở khu vực đó có sự phủ sóng của mạng điện thoại di động GSM và

cũng có thể biết đƣợc nhiệt độ tại bất kỳ thời điểm nào.
Hệ thống còn có thể tiến hành cảnh báo nhiệt độ tới ngƣời dùng khi mà nhiệt
độ đo đạc đƣợc vƣợt quá giới hạn cho phép mà ngƣời dùng thiết lập. Khi tiến hành
cảnh báo, hệ thống sẽ gửi thông tin cảnh báo tới ngƣời dùng hoặc phát tín hiệu cảnh
báo tại nơi lắp đặt hệ thống (còi cảnh báo sẽ kêu). Hệ thống cảnh báo nhiệt độ còn

14


có thể kết nối, tích hợp với nhiều hệ thống, thiết bị khác để đáp ứng đƣợc các yêu
cầu đề ra.
1.1 Ứng dụng của hệ thống

 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Hiện nay trên thế giới, việc sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị từ xa
không còn vấn đề mới mẻ nữa vì nó đã đƣợc nghiên cứu và áp dụng vào thực tế
trong các nhà máy xí nghiệp. Kĩ thuật này đƣợc ra đời vào cuối tháng 8/2000, khi
đó có đến 6.3 triệu GSM (Global System for Mobile communications) sử dụng tại
South Africa. Theo thống kê thì tổng số ngƣời dùng GSM vào năm 2005 là khoảng
11 triệu ngƣời chỉ tính riêng South Africa. Hiện tại có 49 mạng GSM tại Africa và
sẽ còn phát triển hơn nữa trong tƣơng lai. Kĩ thuật GSM có khả năng truyền tin
wireless với phạm vi rất rộng lớn và đảm bạo độ tin cậy cao. Chính vì vậy, ngƣời
dùng có thể gửi tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị từ xa mang lại hiệu quả cao.
Ngƣời dùng chỉ cần sử dụng điện thoại di động của mình (bất cứ loại nào hoặc
thƣơng hiệu nào) để theo dõi và kiểm soát những ứng dụng trong công nghiệp và
nông nghiệp. Những hệ thống đƣợc điều khiển bởi SMS (SMS Control Systems) thì
chỉ cần điều khiển thông qua việc gửi nhận tin nhắn SMS. Điều này có nghĩa là việc
điều khiển có phạm vi rất xa. Hệ thống điều khiển bằng tin nhắn SMS đƣợc thiết kế
để điều khiển những thiết bị và ứng dụng :


Máy móc nhà xƣởng.



Hệ thống thu thập thông số môi trƣờng.



Nông nghiệp thủy lợi.



Lò sƣởi, ƣớp lạnh, máy điều hòa.



…

 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Ở phạm vi trong nƣớc, trƣớc khi thực hiện đề tài này thì đã có một số
nghiên cứu phát triển ứng dụng nền tảng thông tin di động trong các lĩnh vực khác
nhau

15


Hệ thống đƣợc lắp trong các khu vực cần giám sát nhiệt độ nhƣ trong các
phòng bảo quản hóa chất, các phòng bảo quản thực phẩm, các phòng bảo quản
thuốc… Nếu nhiệt độ phòng vƣợt quá một ngƣỡng nào đó thì sẽ có cảnh báo.

Ngoài ra, hệ thống cũng đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau khi
kết hợp với một số hệ thống giám sát khác để xây dựng lên các hệ thống lơn hơn
nhƣ một số hệ thống
 Hệ thống cảnh báo cháy (đƣợc xây dựng dựa trên cảnh báo nhiệt độ và
cảnh báo khói).
 Hệ thống giám sát thời tiết phục vụ trong nông nghiệp (đƣợc xây dựng
trên cảnh báo nhiệt độ, cảnh báo độ ẩm, điểm đọng sƣơng, đo tốc độ gió)
 Các hệ thống giám sát phục vụ trong lĩnh vực hàng hải. (đo nhiệt độ
nứớc, nhiệt độ dầu... trong tàu biển).
 Các hệ thống khác…
Hiệu quả khi sử dụng hệ thống:
 Bảo đảm an toàn cho các thiết bị đƣợc cảnh báo (hóa chất, thực phẩm,
thuốc, máy móc, nhà xƣởng…).
 Giảm chi phí vận hành (nhân công, máy móc, chi phí điều hành…).
 Nhờ có hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa nên có thể tiết kiệm thời gian,
giảm chi phí đi lại.
 Việc sử dụng hệ thống góp phần thúc đẩy quá trình đƣa khoa học kỹ
thuật tiên tiến vào phục vụ lao động, sản xuất.
 Nhờ có hệ thống cảnh báo từ xa nên việc báo động cho ngƣời sử dụng
hoặc cho các cơ quan, tổ chức đƣợc thực hiện một cách dễ dàng,
nhanh chóng hơn. Giúp xử lý kịp thời các tính huống, khắc phục tình
trạng báo động chậm làm quá trình xử lý gặp nhiều khó khăn hơn.
1.2. Cấu trúc của hệ thống
 Sơ đồ điều khiển của hệ thống:

16


MÁY TÍNH
PC

KHỐI
NGUỒN

THẺ SIM

UART

KHỐI XỬ LÝ
(ATMEGA 8)

MODUL
UART

SIM900
A
GSM

KHỐI XỬ LÝ
(ATMEGA 8)

KHỐI
NGUỒN

MODUL
UART

SIM900A

ADC

10bit

THẺ SIM

CẢM BIẾN
NHIỆT ĐỘ
Lm35

Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống

17


 Hệ thống đƣợc chia thành các phần chính:
 Đo đạc và lấy dữ liệu
 Xử lý dữ liệu.
 Truyền nhận dữ liệu qua mạng GSM sử dụng module GSM.
 Giao tiếp với thiệt bị bên ngoài là máy tính PC.
1.3 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống
Hệ thống hoạt động tuân theo quá trình sau đây:
 Cấp nguồn cho hệ thống.
 Khi đƣợc đƣợc cấp nguồn thì đèn LED nguồn phát sáng, tiếp theo một số
đèn LED trạng thái cũng phát sáng, có một số đèn sẽ không sáng. Màn
hình LCD sẽ hiển thị trạng thái nạp dữ liệu, sau đó sẽ hiển thị về menu
chính.
 Khi khối đo đạc dữ liệu hoạt động tốt thì dữ liệu sẽ đƣợc gửi tới hệ thống
đèn LED báo hiệu đo đạc sẽ nhấp nháy, tùy theo thiết lập hệ thống mà
đèn LED sẽ nhấp nháy nhanh hay chậm, thông thƣờng khi chƣa có thiết
lập thì đèn LED sẽ nhấp nháy khá nhanh, tuy nhiên vẫn quan sát đƣợc.
Nếu khối đo đạc không hoạt động tốt hoặc dữ liệu không đƣợc gửi tới hệ

thống thì đèn LED báo hiệu đo đạc sẽ tắt hoặc sáng hoàn toàn, không
nhấp nháy.
 Dữ liệu nhận đƣợc từ khối đo đạc và lấy dữ liệu sẽ đƣợc hệ thống xử lý,
sau khi xử lý xong thì căn cứ vào các thiết lập mà hệ thống tiến hành các
thao tác tiếp theo. Nếu không có thiết lập thì màn hình LCD vẫn hiển thị
menu chính.
 Trong quá trình xử lý dữ liệu đo đạc, hệ thống sẽ không nhận các dữ liệu
đo đạc mới cho đến khi hệ thống xử lý xong dữ liệu đo đạc đã nhận đƣợc.
 Tiến hành các thiết lập hệ thống, tùy theo mục đích sử dụng mà có các
thiết lập khác nhau.

18


 Nếu thiết lập update dữ liệu tới PC thì hệ thống sẽ gửi dữ liệu tới PC. Nếu
không thiết lập thì sẽ không gửi dữ liệu.
 Trong quá trình gửi dữ liệu tới PC thì hệ thống sẽ không nhận dữ liệu đo
đạc.
 Nếu thiết lập update dữ liệu tới các thiết bị mobile thì hệ thống sẽ gửi dữ
liệu tới các thiết bị mobile. Ngƣợc lai, sẽ không gửi dữ liệu.
 Trong quá trình gửi dữ liệu tới các thiết bị mobile thì hệ thống sẽ không
nhận dữ liệu đo đạc.
1.4 Chức năng của hệ thống
Hệ thống hỗ trợ các chức năng sau:
 Đo đạc nhiệt độ sau đó hiển thị lên màn hình LCD
 Hiển thị sử dụng màn hình LCD.
 Hiển thị trạng thái của hệ thống thông qua các LED.
 Hỗ trợ lƣu trữ dữ liệu vào thẻ nhớ. Tùy theo dung lƣợng thẻ nhớ và dữ liệu
đo đạc mà hệ thống có thể lƣu dữ liệu trong thời gian liên tục đến vài năm.
Dữ liệu đo đạc từ hệ thống có thể lƣu trữ liên tục, rời rạc hoặc không lƣu trữ.

 Hỗ trợ giao tiếp với các thiệt bị ngoại vi khác qua đƣờng I2C, UART.
 Hiển thi dữ liệu trên máy tính PC.
 Hỗ trợ điều khiển hệ thống bằng máy tính PC.
 Hỗ trợ gửi đọc tin nhắn từ PC.
 Hỗ trợ tự động update dữ liệu lên PC, dữ liệu có thể update liên tục, rời rạc
hoặc không update.
 Hỗ trợ tự động update dữ liệu tới các thiết bị mobile, dữ liệu có thể update
rời rạc hoặc không update.
 Hỗ trợ gửi tin nhắn (tin SMS)..
 Sử dụng mạng GSM ở các băng tần 900, 1800, 1900 Mhz.
 Hỗ trợ đo đạc, điều khiển nhiều tham số.
 Hỗ trợ tích hợp một số thiết bị vào hệ thống.
 Các chức năng khác…

19


CHƢƠNG 2. KHỐI XỬ LÝ DỮ LIỆU

Khối xử lý dữ liệu là thành phần rất quan trọng của hệ thống, nó điều khiển,
kết nối nhiều module nhỏ có chức năng khác nhau để tiến hành xử lý dữ liệu. Bên
cạnh chức năng chính là nhận dữ liệu và xử lý dữ liệu, khối xử lý dữ liệu còn thực
hiện chức năng giao tiếp hệ thống với các thiết bị ngoại vi.
2.1 Vi điều khiển AVR
2.1.1 Giới thiệu chung
AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất
mạnh đƣợc tích hợp trong chip của hãng Atmel, nó có thể chạy ở tần số cao và rất
ổn định. Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp
ứng tối đa nhu cầu của ngƣời sử dụng.
Một số hình dáng và kích thƣớc của dòng chip AVR:

20


Hình 2.3 Một số loại chip AVR

21


Hình 2.4 Sơ đồ chân chip ATmega16
Một số chân có chức năng riêng biệt của chip AVR ATmega16:
Bảng 2.3 Các chân có chức năng đặc biệt của ATmega16
Chân số

Tên

9

RESET

Chức năng
Chân RESET, đây là chân thiết lập lại trạng thái mặc định
của chip.
Chân Vcc, chân này là chân cấp nguồn để chip có thể hoạt

10

VCC

động, điện áp đặt vào chân này nằm trong khoảng từ 4.5 V

đến 5 V, điện áp lớn nhất mà chip có thể chịu đƣợc là 5.5
V.

11, 31

GND

Đây là chân Ground, chân nối đất, đƣợc nối với GND của
mạch.

22


Các chân XTAL1, XTAL2 là các chân kết nối với bộ dao
12, 13

XTAL1-

động ngoài cho vi điều khiển, các chân này đƣợc nối với

XTAL2

thạch anh qua tụ gốm (22p). Tùy vào mục đích sử dụng mà
thạch anh có tần số nhất định, có thể là 4 MB, 8 MB,
11.0592 MB…
Chân này để cấp nguồn cho bộ ADC ở bên trong chip, và

30

AVCC

cấp nguồn cho PORTA, nó thƣờng đƣợc kết nối với VCC
ngay cả khi bộ ADC không đƣợc sử dụng. Nếu bộ ADC
đƣợc sử dụng thì nó sẽ kết nối với VCC thông qua bộ lọc.
Chân này phục vụ cho bộ ADC. Chân AREF thƣờng nối

32

AREF

lên 5 V (VCC), nhƣng khi sử dụng bộ ADC thì chân này
đƣợc sử dụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải
đƣợc cấp cho một điện áp cố định, có thể sử dụng diode
zener để ổn áp.

Một số tính năng của họ AVR:
 Giao diện SPI đồng bộ.
 Các đƣờng dẫn vào/ra (I/O) lập trình đƣợc.
 Giao tiếp I2C.
 Bộ biến đổi ADC 10 bit.
 Các kênh băm xung PWM.
 Các chế độ tiết kiệm năng lƣợng nhƣ sleep, stand by..vv.
 Một bộ định thời Watchdog.
 3 bộ Timer/Counter 8 bit.
 1 bộ Timer/Counter 16 bit.
 1 bộ so sánh analog.
 Bộ nhớ EEPROM.
 Giao tiếp UART…

23

2.1.2 Kiến trúc của vi điều khiển AVR
Các bộ xử lý AVR có kiển trức Harvard, nghĩa là có bộ nhớ dữ liệu và bộ
nhớ chƣơng trình tách biệt nhau.
Bộ nhớ chƣơng trình là loại bộ nhớ flash. Dung lƣợng của loại bộ nhớ này
tùy thoại vào từng chip AVR cụ thể.
Bộ nhớ chƣơng trình, bên cạnh các lệnh lƣu trữ, cũng chứa các vectơ ngắt
bắt đầu ở địa chỉ $0000. Chƣơng trình hiện tại sẽ bắt đầu ở vị trí bộ nhớ phía bên
kia vùng dùng cho các vectơ. Số lƣợng các vectơ cùng khác nhau giữa các bộ vi
điều khiển.

Hình 2.4 Kiến trúc chip AVR

Bảng vectơ ngắt:

24


Hình 2.5 Bảng vector ngắt chip AVR
Bộ nhớ dữ liệu của chip AVR khác nhau thì cũng khác nhau, thông thƣờng
bộ nhớ dữ liệu có tất cả 5 thành phần khác nhau:
 Một tệp thanh ghi với 32 thanh ghi, có độ rộng là 8 bít (hoặc nhiều hơn). Tất
cả các vi điều khiển AVR đều có tệp thanh ghi này.
 Có các thanh ghi vào/ra ( I/O ), mỗi thanh ghi này là 8 bit (hoặc nhiều hơn).
Tùy vào từng loại AVR mà số lƣợng các thanh ghi vào ra có thể là 64 thanh
ghi, hoăc nhiều hơn, hoặc ít hơn 64 thanh ghi.
 Bộ nhớ SRAM bên trong, bộ nhớ này có hầu hết trên các chip AVR, dung
lƣợng bộ nhớ SRAM cũng thay đổi, tùy theo từng loại AVR cụ thể. Bộ nhớ
SRAM đƣợc dùng vào nhiều mục đích khác nhau, nhƣng một mục đích khá

quan trọng và hay đƣợc sủ dụng đó là SRAM đƣợc sử dụng cho ngăn xếp và
luu trữ các biến.
 Bộ nhớ SRAM bên ngoài. Đặc tính này chỉ có ở các vi điều khiển AVR cỡ
lớn. Các bộ vi điều khiển này có các cổng để truy nhập bộ nhớ và dữ liệu bên
ngoài.

25